山東大學劉相法教授團隊自主研發的B摻雜型TiC (TiCB)作為一種精準高效的α-Al形核晶種，已在抗Si（Zr）致細化“中毒”領域得到了廣泛的應用。針對非熱處理強化型Al-Mn系耐蝕鋁合金強度難以改善，應用受局限等難題，來自山東大學的研究團隊通過在該合金中添加TiCB晶種，采用普通重力鑄造和熱擠壓工藝制備了系列細晶及超細晶Al-Mn系鋁合金，研究了該晶種對Al-Mn系合金凝固組織、擠壓行為和力學性能的影響，并通過系統的表征及分析，揭示了TiCB晶種對Al-Mn系合金的細化及強化機理。相關成果以“Microstructure evolution and enhanced mechanical properties in Al-Mn alloy reinforced by B-doped TiC particles”為題發表在《Materials & Design》。山東大學張冬青碩士生為論文第一作者，山東大學劉思達研究員和劉相法教授為論文通訊作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110906

除了大變形等特種加工手段外，傳統的晶粒細化方法，鑄錠或鑄件的初晶晶粒平均尺寸一般都大于100 mm。既使通過后續正常熱加工，晶粒細化會有變化，但再結晶等因素的制約，晶粒細化總是具有一定極限，進一步細化總是十分困難，難以達到超細化（﹤10 μm）水平。

本文研究結果表明，TiCB晶種可顯著細化Al-Mn系合金的α-Al晶粒。 當TiCB晶種添加量為0.5 wt.%時，α-Al平均晶粒尺寸可由最初的410.1 μm細化至40.2 μm，擠壓進一步細化至9.1 μm，在普通熱加工條件下，使鋁合金晶粒達到了超細化水平。進一步研究發現，TiCB晶種可抑制Al-Mn系合金熱擠壓過程中的動態再結晶過程，并保留大量的幾何必須位錯（GND）。當添加量為1.5%時，合金中的GND密度為1.37 × 1014/m2，遠高于Al-Mn系合金的0.54 × 1014/m2。 因此，當TiCB晶種添加量為1.5 wt.%時，Al-Mn系合金在25 ℃和350 ℃時的抗拉強度分別提高了25.6%和32.4%。

圖1 Al-TCB晶種合金組織表征

圖2凝固組織中α-Al晶粒尺寸對比：(a) Al-Mn；(b) Al-Mn+0.5TiCB; (c) Al-Mn+1.5TiCB

圖3不同TiCB粒子添加量下Al-Mn合金凝固組織：(a) Al-Mn；(b) Al-Mn+0.5TiCB; (c-e) Al-Mn+1.5TiCB

圖4 Al-Mn+1.5TiCB合金TEM表征

圖5擠壓態幾何必須位錯密度分析：(a, d) Al-Mn; (b, e) Al-Mn+0.5TiCB; (c, f) Al-Mn+1.5TiCB; (g-i) Al-Mn+1.5TiCB的TEM分析

圖6力學性能：(a) 25 ℃；(b) 350 ℃

值得關注的是，TiCB晶種作為強化粒子，與α-Al之間潔凈且連續的界面，不僅為Al-Mn系合金室溫(25℃)強度，而且為其高溫(350℃)強度的提升提供了可靠的保障。

本文提出了一種提升非熱處理強化型Al-Mn系合金力學性能的新思路，系統研究了TiCB晶種粒子對Al-Mn合金的組織調控行為，并分析了該合金的強化機制。為研發高強非熱處理型鋁合金新材料提供了數據和理論支撐。